2.1 土壤斥水的理化性质因子

2.1.1 概述

斥水土壤在全球范围内存在普遍，具有不同程度的负面影响，它严重影响土壤水分运移，造成入渗困难。斥水性（SWR）的存在使土表截流大部分降水，植物根部不能获得足够的水分，从而导致作物受旱、减产（Nguyen等，1999;Chau等，2014）。土体大孔隙、植物根孔和生物活动造成的孔隙，在灌溉或降雨过程中易形成指流，使土壤内部水分分布不均匀。强烈斥水性使得携带氮磷养分的土壤重力水沿大孔隙迅速进入地下水，造成肥料流失和地下水污染（毕立东等，2014）。

如第1章所述，目前认为SWR的成因多样，不仅与土壤本身的内在属性有关，而且和其所处的外部环境有紧密联系（李毅等，2012；张培培等，2014;Doerr等，2000）。为深入探讨SWR发生机理、筛选其关键影响因子，本节以西北地区土壤样品为例，基于滴水穿透时间法、酒精液滴摩尔浓度法和接触角法，探讨土壤不同斥水性指标之间的内在联系，从不同的角度评价SWR，进一步完善SWR评价体系。

2.1.2 材料与方法

2.1.2.1 研究区概况

取样地点分别为新疆维吾尔自治区玛纳斯县北五岔镇盐碱地改良试点工程示范区和陕西省西安市杨凌区。玛纳斯县位于天山中段北麓、准噶尔盆地南部，地理位置处于北纬43°28'~45°20'，东经85°41'~86°43'，南北最大长度241.7km，东西最大宽83.7km。南北狭长，中间窄，形似长靴。玛纳斯县远离海洋，且四面有高山环抱，地形封闭，南高北低，南北狭长，南北方向气候差异较大。从南至北，可分为高中山寒温带、中部平原和北部沙漠中温带。气候夏季酷热，冬季寒冷，冬、夏两季漫长，春、秋两季短暂，并有春季升温快、秋季降温迅速、降水量较少、蒸发量较大、气候干燥等特点，属典型的温带大陆性干旱气候。多年平均气温6.0℃；极端最高气温43.1℃，极端最低气温-42.8℃；年较差44.7℃。年平均无霜期165~172d；多年平均日照数2874.2h，总辐射量为538kJ/cm ² 。降水量受地形影响南多北少，差异较大。蒸发量受地形影响，与降水量相反；北部沙漠区蒸发量最大，达1946.4mm，蒸降比为16.3。风速以平原区为最大，沙漠区次之，山区最小。平原区与沙漠区平均风速以春、夏、秋三季为最大，最大风速达20m/s，出现在4—8月，大于或等于八级的大风多出现在5—7月。玛纳斯县山丘区和平原地下水资源量分别为3.04亿m ³ 和3.24亿m ³ 。地下水补给途径主要有：绿洲带地表河（渠）水、水库和灌溉水的垂直入渗补给，以及县境内河水径流的侧向补给。地下水水位在0.5~3m。试验区潜层地下水矿化度在1.45~6.61g/L。玛纳斯县内土壤分为5个别类，10个亚类，3个土属，22个土种。农耕地主要为灌淤土、潮土两类，荒地为草甸土、盐土、风沙土。该区为重度积盐区，地表多处分布着厚约5~8cm的盐霜，说明试验区的土壤次生盐碱化较严重。

北五岔镇位于玛纳斯县城北侧27km处，属玛纳斯河莫合渠灌区，主要灌溉水源为新户坪水库和白土坑水库。全镇南北长10.5km，东西宽1.5km，地势东南高，西北低。玛纳斯河进入冲积平原后，侵蚀切割能力显著减弱，沟谷不甚发育，没有大的河道，南北两侧均为开阔的耕地和荒漠草滩。地表岩地下水位高，矿化度高，积盐较重。玛纳斯河多年平均径流量 12.58 亿m ³ ，玛纳斯河给玛纳斯县的分水比例为：洪水期（7—8 月） 15.89%，枯水期23.61%（昌吉自治州方汇水电建筑勘察设计有限公司，2006）。

陕西杨凌位于北纬34°17'，东经108°04'，海拔506.0m，年平均气温12.9℃，全年无霜期 221d，年平均蒸发量 884.0mm，年平均降水量 637.6mm，降水多集中在 7—10月。

2.1.2.2 土样的采集与理化性质的测定

新疆玛纳斯河流域有安集海、石河子、莫索湾、玛纳斯县、129团、121团、132团7个灌区。使用GPS进行导航定位，多选择以村庄、连队为单位的农田覆膜地进行采样，取样间距为2~3km，取样深度0~10cm，共221个样品。

为对比不同区域土壤，在陕西杨凌玉米田和渭河滩地0~10cm深处也采集了2个土样。取回的土样经室内风干、研磨、剔除杂质后，过2mm筛备用。其中新疆玛纳斯河流域所采集的为灰漠土，在新疆是重要土类；陕西杨凌地区采集的是塿土和砂土，在关中地区是重要土类，具有典型的代表性。

使用激光粒度仪对土样进行颗粒组成分析，根据测定的黏粒（<0.002mm）、粉粒（0.002~0.02mm）和砂粒（0.02~2mm）含量，按照国际制标准进行质地分类。采用DDB-303A型电导率仪测定电导率（EC）；采用外热-重铬酸钾氧化法测定有机质含量（SOM）（林大仪，2004）；采用原子吸收分光光度法测定土壤K ⁺ 、Na ⁺ 、Ca ²⁺ 、Mg ²⁺ 浓度；委托南京土壤研究所使用日本理学Ultima IV进行X衍射分析，从而获得黏土矿物种类和相对含量。

2.1.2.3 土壤斥水性的测定

1.滴水穿透时间（ WDPT ）法和酒精液滴摩尔浓度（ MED ）法

用滴水穿透时间法测定 WDPT ，用它反映土壤斥水的持续性。用滴管（0.06mL/滴）吸取蒸馏水滴于土表，为减少水滴动能的影响，控制滴管口与土表的距离为1cm，每个样品重复测定6次，取其平均值作为该样品的 WDPT 值。依据 WDPT 值，分为亲水、微弱斥水、强烈斥水、严重斥水和极端斥水五个等级（Letey,1968;DeBano,1981;Dekker和Jungerius,1990）。选出 WDPT >5s的斥水土样。

测定了容重 1.16g/cm ³ 的 75℃烘干土样、容重 1.16g/cm ³ 的室内风干土样及容重1.45g/cm ³ 的室内风干土样的 WDPT ，以便对比烘干及容重变化对 WDPT 的影响。

MED 指标可表征SWR的强弱（Siebold等，2000）。使用纯度为95%的酒精配制不同体积分数的酒精溶液，相应有1.5%、3%、7%、12%、25%、30%、40%和50%8个等级，需根据实际的入渗速率调整酒精溶液浓度等级。使用滴管吸取不同浓度的酒精溶液滴在土表，记录酒精液滴完全渗入的时间。寻找出在5s内入渗的酒精溶液浓度，将其体积分数作为该土样的 MED 。

2.接触角法

当液体滴到土壤上时，液滴呈现弧状，弧的切线与土表形成的角度就是接触角（ φ ）。基于毛管上升原理，通过高度法和重量法间接测量 φ ，使用的测试液体有水、无水乙醇和正辛烷。建立间接方法测定 φ 的试验装置如图2-1所示。

高度法考虑液体对土柱的压力，用改进的Washburn公式（1921）计算液-土界面的 φ 。公式为：

式中： h 为液体在土柱中的上升高度，cm; L 为土柱底部浸没在液体中的深度，cm; r 是与土壤毛管半径和水力半径有关的参数，μm; t 为液体上升时间，s;γ _L 为液体表面张力，mN/m; η 为液体黏滞系数，mPa·s。应用式（2-1）时， φ 的有效范围是0°~90°。

γ _L 和 η 可在化学手册中查得，水、无水乙醇和正辛烷在 20℃下的密度分别为0.9982g/cm ³ 、0.7892g/cm ³ 和0.7027g/cm ³ ，表面张力分别为72.8mJ/m ² 、22.4mJ/m ² 及21.6mJ/m ² ，黏滞系数分别为1.0050mPa·s、1.1922mPa·s和0.5402mPa·s。但是参数 r 值很难获得。借助具有完全湿润性质的烷烃类物质即参比溶液（如正辛烷、无水乙醇）获取 r 。通常认为参比溶液与土壤之间的 φ =0°，即cos φ =1。对参比溶液应用式（2-1）绘制 h ² +2 hL ~ t 图，根据斜率值计算出 r ，将 r 代入水为供试溶液时的式（2-1），从而求出分别使用正辛烷及无水乙醇两种参比溶液时水-土界面的 φ 。

采用内径24mm、高度5cm、带刻度的有机玻璃管装土，建立试验系统基于高度法进行毛管上升试验。土壤容重为1.45g/cm ³ 。当土柱底端被液体浸润时，用秒表记录浸润时间和对应的湿润锋高度值，每个土样重复3次。

重量法（Washburn,1921）原理与高度法类似，需记录土壤吸收液体的质量 ω 随 t 的变化：

式中： c 为系数， c = rε ² （π R ^2）2 ; ε 为表征土壤孔隙度的系数；其余参数同式（2-1）。

与高度法类似，ω ² ~ t 也是线性关系，取其斜率可得 c 值。试验时，将土柱悬吊，利用分析天平（量程200g，感量0.1mg）和秒表记录 ω ² ~ t 的动态变化过程。

2.1.3 结果与讨论

2.1.3.1 WDPT 和 MED 的变化特征

根据对土壤样品的斥水性测定结果，不同的温度和容重处理可以改变其 WDPT 值（图2-2）。

图2-2中：①图（a）中，容重为1.16g/cm ³ 条件下，烘干土的 WDPT 值在整体上较大，而风干处理的较小。所有烘干处理的 WDPT 值都在5s以上，大部分的风干处理都低于5s，其中7个土样的 WDPT >5s,20个低于5s。②图（b）表明，同样的风干处理下，容重为1.45g/cm ³ 的 WDPT 值较1.16g/cm ³ 的大，其中19个土样的 WDPT >5s,8个低于5s。③三种处理对砂土和塿土等亲水土壤的 WDPT 影响较小，但对盐碱土的 WDPT 影响明显。容重增加和烘干都可增大土壤 WDPT 值，因而SWR是随着时间或外界环境而变化的。

图2-3显示了各土壤样品 MED 测定结果。图中：①不同土样的 MED 值存在较大差异。对于某些土壤使用极低浓度的酒精溶液就可以在 5s内入渗，而只有使用高浓度的酒精溶液时其他样品才能在 5s内入渗。②同一酒精浓度可涵盖斥水程度在一定范围的土壤。

2.1.3.2 高度法和重量法测定的接触角

以正辛烷和无水乙醇为参比溶液、蒸馏水为供试溶液进行高度法试验测定接触角 φ 的结果有差别。以样品3为例（图 2-4，图例H,W、H,O和H,E分别代表蒸馏水、正辛烷和无水乙醇；L表示拟合直线）。不同溶液的 h ² +2 hL ~ t 均为过原点的直线，相关系数均大于 0.99，对应斜率值分别为 0.0521、0.0138和0.0065；土壤吸收正辛烷最快，无水乙醇次之，蒸馏水最慢。得出的正辛烷和无水乙醇为参比溶液的 φ 分别为84.37°±0.76°和80.68°±1.33°。

重量法得到的ω ² ~ t 关系与高度法类似。重量法试验中，土柱对正辛烷的吸收速率最快，而不同土样对蒸馏水和无水乙醇的吸收速率表现出一定的差异性，可能是测量过程中人为控制土柱端面与液面贴合程度的差异造成的。

图2-5是高度法和重量法所得 φ 值的比对结果。从图中可以看出：①使用高度法测得的 φ 大于重量法的测定值；②使用正辛烷作为参比溶液，三组重复的标准差小于无水乙醇；③高度法中，以正辛烷作为参比溶液测得的 φ 效果优于其他三种。

2.1.3.3 不同斥水指标之间的关系

基于SPSS17.0软件对 WDPT 、 MED 和接触角 φ 三个指标进行Pearson检验，结果列于表2-1。表中 φ 的下标H和W分别代表高度法和重量法，E和O分别代表参比溶液酒精和正辛烷。

表2-1中：① WDPT 与 MED 存在较好的相关性， φ 与 MED 的相关性很弱；② WDPT 与 φ _H,O 的相关性高于 WDPT 与 φ _H,E ，而 WDPT 与 φ _W,O 的相关性高于 WDPT 与 φ _W,E ，说明同样测定 φ ，但高度法和重量法有所不同；③ φ _H,O 与 φ _H,E 的相关性高于 φ _W,O 与 φ _W,E ，即高度法得到的 φ 值之间的相关性略强于重量法；④使用正辛烷作为参比溶液测得的 φ 值相关系数高于无水乙醇的，这对高度法和重量法都适用。因正辛烷稳定性更好，以下分析中仅涉及以正辛烷作为参比溶液、基于高度法测定的 φ 值。

2.1.3.4 影响斥水性的关键理化性质因素

选取多个土壤理化性质，对其与三种斥水性指标进行Pearson检验及相关性分析，其结果如表2-2所示。表中，OC为有机碳含量，Clay是黏粒含量，Ka是高岭石含量，Mo是蒙脱石含量，Zh表示蛭石含量，[]表示土壤离子浓度。

从表2-2可以看出：①OC、EC、[Mg ²⁺ ]、[Ca ²⁺ ]和Ka （<2μm）对于这三个斥水性指标的相关性很弱，Clay对于 WDPT 和 φ 的相关性较好；② [K ⁺ ]、[Na ⁺ ]与 WDPT 、 MED 的相关性很弱，但与 φ H,O的相关性稍强；③Mo与 WDPT 、 MED 呈负相关，但决定系数未超过0.5,Zh与 WDPT 、 MED 呈正相关且与SWR的联系比Mo稍好。

早期研究认为，粗质地的砂壤土易产生SWR，但之后发现中等质地的土壤甚至黏土都会产生SWR （刘立超等，2011）。本研究的斥水土样中，砂壤土2个，黏壤土17个，黏土8个，其大部分SWR在亲水到轻微弱斥水级别，因而SWR的发生并不局限于土壤的种类。表2-2中，黏粒含量是影响SWR的一个主要因素，且对 φ 的影响更明显，这可能因为黏粒含量增加会相应增加土壤的表面能，在减缓入渗的同时也增加斥水的严重程度。

阳离子含量中，只有[Na ⁺ ]、[K ⁺ ]与 φ 具有一定的相关性，且相关系数较接近。由于土壤中[Na ⁺ ]过高会阻碍土壤胶体的离子交换反应，引起土壤黏粒膨胀和团聚体分散，使土壤通透性变差，从而在一定程度上增强了SWR。[K ⁺ ]对 φ 具有与[Na ⁺ ]相似的影响趋势。

土壤黏土矿物对SWR也有一定程度的影响，不同黏土矿物对SWR的影响效果不同。表2-2中，Mo含量和 WDPT 、 MED 之间呈现一定负相关，可能与蒙脱石倾向聚集的作用有关（McKissock等，2000），使土壤孔隙度增加，通透性改变，从而直接影响 WDPT 和 MED 。另外，Zh与 WDPT 和 MED 呈现正相关趋势，影响比Mo略强。原因可能是蛭石粒级微小，多孔的结构易造成土表阻塞，影响入渗。

虽然以往的研究成果表明，有机质是影响SWR的一个重要因素（McKissock,2000;Bisdom等，1993;Hurraβ和Schaumann,2006），但本研究中未发现有机碳含量OC对SWR具有显著影响。原因可能有：①由于供试土壤为盐碱土，其基础性有机碳含量OC偏低，且土样之间OC差别不大（最大值10.38g/kg，最小值1.28g/kg，平均值4.54g/kg），因此OC的影响不突出；②并非所有类型的有机质都影响SWR。由于土壤形成的地质、地貌和气候特点差异很大，引起SWR的原因非常复杂，本研究中有机质对土壤SWR无明显影响。

2.1.3.5 三种斥水性测定方法的对比

各土壤理化性质因子与不同斥水性指标的相关性存在很大差异。本研究对比了 WDPT 法、 MED 法和接触角法，发现三者之间虽然存在一定联系，但是关系不密切。

首先，不同斥水指标所表征的SWR意义不同。指标 WDPT 反映了土壤斥水的持续性，而指标 MED 反映了土壤斥水的强度，指标 φ 反映了土壤斥水的严重程度。不同指标的测定和表达方式不同，所含的斥水信息也不同。若具备充分的时间和实验条件，则综合 WDPT 、 MED 和 φ 等三种指标可全面反映斥水特征。

其次，从测定过程来说，滴水穿透时间法可简便快速地得到 WDPT ，是目前测定SWR的常用方法。但该法易受到较多因素干扰，比如土壤容重、土壤含水率、滴管的规格等。滴水穿透时间法更适合对SWR进行快速、粗略的评价。操作上， MED 法与滴水穿透时间法类似，且酒精溶液的入渗要快于水，但需要寻找合理的酒精溶液浓度，测定过程比 WDPT 法繁琐。接触角法比 MED 法和滴水穿透时间法操作更复杂，适用于SWR的精确测定。

第三，成本方面， WDPT 法最低， MED 法居中，接触角法最高。

最后，单就接触角法而言，使用正辛烷作为参比溶液效果要优于无水乙醇。无水乙醇挥发较快，同时吸收大量热量，长时间应用会影响结果。此外，高度法比重量法操作简单，影响因素少，组间差异更小，整体比重量法稳定。Siebold等（1997）采用重量传感器测量，认为比高度法的人为读数更精确。由此可见，接触角测定方法的选择也受到测量仪器精度的影响。

2.1.4 小结

烘干和容重增加会提高土壤的 WDPT 值。采用正辛烷作为参比溶液的高度法更适合测量水与土壤的 φ 值，且测量结果大于重量法。对比三种不同的SWR测量方法发现， WDPT 、 MED 和 φ 表征了SWR的不同方面，同一土壤按这三个斥水性指标所评定的斥水等级有一定差异。相关性分析也发现， WDPT 与 MED 、 φ 之间存在一定的关联。

在多种土壤理化性质中，黏粒含量和黏土矿物是影响SWR较为主要的因素：黏粒含量高增强了斥水的持续性和严重性，减缓了入渗，砂土的 φ 值小于黏土的 φ 值，但随着黏粒含量的进一步增大， φ 值不再显著改变。蒙脱石与 WDPT 、 MED 呈现较弱的负相关，或因凝聚作用而减轻了SWR；蛭石与 WDPT 、 MED 之间存在较强的正相关；[K ⁺ ]、[Na ⁺ ]与 φ 相关性较弱。

不同的斥水性测定方法各有其优缺点，需根据精度要求、试验条件及成本等适当选择测定方法，推荐采用多种指标综合表征SWR。 CKZzMA0G9nzbs3Jo5KM85jiplOYIGfZEE2+9ZAo0TCnReAzOFRUFdDne/Od+Tub5